[实用新型]氢-水同位素交换分离因子测量系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及含氚废水去氚化、重水提纯和生产领域，特别是一种氢-水同位素交换分离因子测量系统，其适用于不同浓度和温度条件下，涉氚的氢-水交换分离因子的测量，能够为水去氚化、重水提纯和生产的疏水催化剂考核及工业化规模级别的交换柱处理能力的设计提供基础数据。

背景技术

     在裂变堆、聚变堆、乏燃料后处理厂及各类氚处理系统的运行过程中，不可避免地会产生不同浓度的含氚废水。氧化态氚（HTO，DTO与T₂O）的放射性毒性比元素气体氚（HT，DT与T₂）强10000倍，从安全和环境考虑，水中的氚浓度必须限制在<1Ci/L水平。如CANDU堆用重水做慢化剂，每年运行产氚率1.4~2kCi/MWe，其平衡氚浓度C_∞的值决定于堆芯区的中子通量和D₂O的装载量。重水减速剂C_∞可取65 Ci/kg D₂O，重水冷却剂C_∞可取2.5 Ci/kg D₂O，平均起来CANDU堆重水氚浓度DTO/D₂O ?? 3×10^-5，稳态平衡氚浓度可达到85Ci/kg D₂O。

目前，实现重水提氚、氚提纯和重水生产等的主要方法是通过氢同位素的催化交换，按转移方式的不同，可分为蒸汽相催化交换（VPCE）、液相催化交换（LPCE）、组合电解催化交换（CECE）等三种。其中，液相催化交换（LPCE）由于具有低能耗、高分离因子等优点，已成为国内外催化交换应用领域的首选。然而，此类氢同位素交换必须在疏水催化剂的存在下才能完成。

在LPCE过程中，疏水催化剂的交换活性需要使用相同条件的分离因子进行计算交换效率，以此评估疏水催化剂的性能。此外，在氢-水同位素交换工业化规模能力的设计中，需要通过相同工况下的分离因子来计算交换处理量，进而确定交换柱的理论塔板高度、总高度以及疏水催化剂的装填量等。

氢-水同位素交换过程实质上是通过两个反应步骤完成的，即：汽液相转变和气汽催化交换两个连续的过程。目前，在国内外相关研究中，常采用统计热力学数据进行两个反应的平衡常数理论计算，以此来代替分离因子。分离因子的定义是指：在液态水中氢同位素摩尔分数比值除以在气体中氢同位素摩尔分数比值。一般来说，分离因子随浓度和温度的变化而改变，而平衡常数则是温度的函数，因而用平衡常数来代替分离因子不可避免的会来带一定的误差。因此，需要直接测量以获得交换分离因子。

氚和氚化水具有放射性和剧毒等特点。一般而言，涉氚系统需要三级包容结构，对每级包容都需要有严格的漏率标准，初级包容需要采用全金属部、组件。对于含氚的氢同位素交换分离因子的测定，反应系统可以归纳为初级包容结构。因此，用于测量非涉氚反应平衡常数的玻璃类反应器在涉氚体系中已经不再适用。

实用新型内容

     本实用新型的发明目的在于：针对目前通常采用统计热力学数据计算的平衡常数来代替分离因子，其不可避免的存在一定误差，而现有用于测量非涉氚反应平衡常数的玻璃类反应器在涉氚体系中已经不再适用的问题，提供一种氢-水同位素交换分离因子测量系统。本实用新型构思巧妙，结构合理，能够用于测量不同温度条件下的氢-水（H₂-HDO，H₂-HTO和D₂-DTO等）同位素交换的分离因子，同时本实用新型设计了一种全新的密封阀，能够确保本实用新型内部无“死空间”，即取样气为交换平衡的气体。本实用新型中交换平衡的混合气经气液分离功能的冷凝器后进行取样，所取样再在高分辨质谱仪上进行定量分析，交换反应完成的液态水通过将氢同位素转移成气体形式进行定量分析。根据分离因子的定义和定量分析结果计算出交换分离因子。

     为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

    氢-水同位素交换分离因子测量系统，包括反应气、冷凝器、取样瓶、真空泵、具有温度调节功能的冷冻加热搅拌器、放置于冷冻加热搅拌器内的平衡反应器、第一管道、第一针阀、第二管道、第二针阀、第三管道、第四管道、第三针阀、第五管道、第六管道、第四针阀、第七管道、第八管道、第一密封阀、第二密封阀，所述冷凝器上分别设置有进气口、出气口；